影响种群数量变化的因素(二)

官方生物老师·17 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·3 天前
种群动态年龄结构性别比例迁入迁出

影响种群数量变化的因素(

看清年龄结构、性别比例与迁入迁出如何决定种群数量升降

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种群动态年龄结构性别比例迁入迁出

影响种群数量变化的因素(

看清年龄结构、性别比例与迁入迁出如何决定种群数量升降

1第 1 页 · 影响种群数量变化的因素(

影响种群数量变化的因素

上页我们认识了直接改变种群数量的「四把刀」——出生率、死亡率、迁入率、迁出率。但刀不会自己动,是什么在背后推着它们?

食物和资源
决定个体能否存活与繁殖,是环境承载力的物质基础
空间和栖息地
领地、巢穴等空间限制着种群密度的上限
天敌和竞争
捕食与种间竞争施加的生物压力
气候等非生物因素
温度、降水、自然灾害等,不受密度影响
经营一家小店对应 →种群面对的间接因素

食材对应食物、店面对应空间、同行竞争对应天敌、季节天气对应气候

2第 2 页 · 影响种群数量变化的因素

光照强度(由郁闭度决定)

你走进一片密林,抬头几乎看不到天——脚下几乎没有草。这并不是树抢走了养分,而是头顶那把'绿伞'把阳光挡掉了。决定这把伞有多密的指标,就是郁闭度。

郁闭度定义
林冠投影面积与林地面积的比值,取值0~1,越接近1林冠越密
光照随郁闭度衰减
光穿过林冠层呈指数衰减,郁闭度越大,到达林下的光强越弱
影响林下种群数量
阳生植物在低郁闭度下占优,阴生植物在高郁闭度下数量增加
林业典型应用
通过抚育间伐调控郁闭度,可定向改变林下种群结构与多样性
教室拉窗帘对应 →林冠遮挡阳光

窗帘拉得越满(郁闭度越高),屋里(林下)越暗;调节窗帘(间伐)即可改变入射光强

I=I0ekLAII = I_0 \cdot e^{-k \cdot \mathrm{LAI}}
3第 3 页 · 光照强度(由郁闭度决定)

郁闭度

上页说光照强度会影响种群数量,但光照并非凭空变化:树冠越长越密,林下通常越暗。先把“林冠遮住地面多少”这件事单独量出来。

定义
树冠在地面上的垂直投影面积,占样地总面积的百分比。
空隙率
冠层空隙率是未被投影覆盖的比例;两者互补,空隙率用比例表示时 C=1−G。
观测方法
林学和生态学常用半球摄影影像识别冠层空隙,再换算郁闭度。
生态意义
郁闭度升高通常降低林下光合有效辐射,影响幼苗更新、种间竞争和种群变化。
解释边界
它随生长、死亡、季节和干扰变化;它不等于叶面积或种群密度,光照还受冠层结构和太阳高度影响。
遮阳棚对应 →郁闭度

遮阳棚的投影面积÷地面面积,对应林冠投影面积÷样地面积;空隙像棚下露出的地面。

C=A冠层投影A样地×100%=1GC=\frac{A_{\text{冠层投影}}}{A_{\text{样地}}}\times100\%=1-G
4第 4 页 · 郁闭度

气温

气温:定义、要点与典型应用

气温
气温:定义、要点与典型应用
5第 5 页 · 气温

水分(降水/缺水/干旱)

温度再极端,若水分充足,种群仍可存活;但一场大旱却可能让适宜温度下的种群瞬间崩溃。水分往往是决定种群存亡的关键变量。

降水的季节分配
总量够但雨季错位(如花期遇旱),仍会导致种群崩溃
缺水的双重打击
直接:细胞渗透胁迫;间接:食物(生产者)减产
干旱的瓶颈效应
极端事件使种群规模骤降,幸存者决定后续基因库
响应的非线性
水分下降到临界值前种群稳定,越过则快速崩溃
手机电量的低电量警告对应 →种群水分耐受的阈值

20%开始提醒,5%以下强制关机;种群也有一个水分临界点,跌破后数量急降

6第 6 页 · 水分(降水/缺水/干旱)

种间竞争

种间竞争:定义、要点与典型应用

种间竞争
种间竞争:定义、要点与典型应用
7第 7 页 · 种间竞争

捕食关系

上一页讲竞争,是'抢资源'。这页看'你吃我'——狼追羊、蛙吞虫。捕食把两个种群的数量锁在一起,像跷跷板一样此起彼伏。

定义
一种生物以另一种为食,捕食过程中猎物通常被致死
密度制约
猎物密度越高,单个捕食者能吃到的越多,捕食压力随之上升
数量周期
经典案例:猞猁与雪兔 9–10 年一轮的数量循环
为何不灭绝
庇护所、替代猎物与捕食者数量响应共同维持平衡
边界辨析
寄生一般不立即致死宿主,与捕食区别开来
猫鼠博弈对应 →捕食者-猎物的动态制衡

鼠多猫就活,鼠躲洞(庇护所)猫就改抓鸟(替代猎物)

dHdt=aHbHP,  dPdt=cP+dHP\frac{dH}{dt}=aH-bHP,\;\frac{dP}{dt}=-cP+dHP
8第 8 页 · 捕食关系

食物供给(丰歉)

食物供给(丰歉):定义、要点与典型应用

食物供给(丰歉)
食物供给(丰歉):定义、要点与典型应用
9第 9 页 · 食物供给(丰歉)

密度制约因素

前面几页聊了温度、降水、光照这些'看天吃饭'的因素——不管田里虫多虫少,一场雨下在所有人头上。还有一类因素恰好反过来:虫子越密,它越凶。本页讲密度制约因素。

定义
作用强度随种群密度变化的因素,密度越大影响越显著
负反馈机制
密度↑→抑制作用↑→出生率↓或死亡率↑→密度回落
典型类型
种内斗争、食物短缺、传染病流行、捕食者响应加剧
与非密度因素对比
前者强度随密度变,后者(如温度、降水)与密度无关
教室里抢座位对应 →密度制约因素

座位就那么多,学生越多,人均座位越少,争抢越激烈

dN/dt=rN(1N/K)dN/dt = rN(1 - N/K)
10第 10 页 · 密度制约因素

非密度制约因素

上一页讲的是『密度越大越厉害』的因素。但想想一场寒潮——它会因为林子里兔子多就减弱吗?不会。这就把我们引到它的反面:非密度制约因素。

定义
作用强度与种群密度无关,无论密度高低都施加同等影响
典型代表
气候(温度、降水)、自然灾害(火灾、洪水)、季节变化等
作用特点
无反馈调节;强度不会随密度变化而变化
对种群的意义
常引发种群数量的剧烈、不规则波动,是种群大起大落的主因
寒潮突袭一座城对应 →非密度制约因素

城里住1万人还是100万人,寒潮降温的强度都一样,不会因人多而减弱

11第 11 页 · 非密度制约因素

S形增长

前面讲了光照、竞争、食物等一大堆因素在'拖后腿'。把这些阻力叠在一起,种群增长就不再是无限制地指数飙升——而是被环境'压'成了一条S形的曲线。

S形增长的背景
资源有限时,种群增长受环境阻力制约,曲线呈S形
K值(环境容纳量)
环境能稳定维持的最大种群数量,种群最终在K附近波动
增长速率的变化
增长速率先慢、中段快(K/2时达峰值)、后慢,呈钟形
与J形增长的对比
J形无阻力、S形有阻力;J形假设资源无限、S形存在上限
现实边界
真实种群常围绕K上下波动,而非贴在那条平滑曲线上
网红小餐厅对应 →S形增长

开业冷清→口碑传开客人暴增→座位就那么多开始排队,客流稳定在上限

dNdt=rN(1NK)\frac{dN}{dt} = rN\left(1 - \frac{N}{K}\right)
12第 12 页 · S形增长

中等强度捕捞(约K/2)

上一页S形曲线显示,K/2处曲线斜率最大、瞬时增长最快。渔业、林业能不能"借"走这一段增长而不伤种群?中等强度捕捞正是建立在这个洞察之上。

K/2处增长最快
S形曲线斜率最大点,瞬时增长率在N=K/2时达到峰值r/2
MSY=rK/4
最大持续产量:捕走量等于增长量,种群长期维持在K/2附近
中等强度判据
捕捞后剩余种群接近K/2,使种群始终处于最大增长段
保留繁殖种源
留足成熟个体,避免剩余量跌破K/2造成增长衰减
过度捕捞边界
捕捞量超过rK/4即破坏可持续,种群滑入衰退区
银行账户只取利息不动本金对应 →K/2中等强度捕捞

本金=K/2处种群基数;利息=新增增长量;只取利息,本金年年有

dNdt=rN(1NK)N=K2MSY=rK4\frac{dN}{dt}=rN\left(1-\frac{N}{K}\right)\Rightarrow N=\frac{K}{2} \text{时} MSY=\frac{rK}{4}
13第 13 页 · 中等强度捕捞(约K/2)

种群研究的应用

上一页我们找到了一个关键数字:种群维持在 K/2 时增长最快。这看起来像数学游戏,但它直接决定了渔夫怎么撒网、林场怎么砍树。今天看这套理论如何落地。

资源合理利用
在 K/2 附近采捕,增长率最大,长期总产量最高,即最大持续产量 MSY
濒危物种保护
建立自然保护区,维持种群在 K 以下并稳定回升,避免灭绝
有害生物防治
核心思路是改造环境降低 K,而非彻底消灭,更持续也更生态
人口与农林规划
用增长模型预测趋势,制定生育政策、林木采伐量、播种量
挤牛奶对应 →最大持续产量

牛是种群,奶是产出——每次只挤一部分,母牛能持续产奶;一次挤光反而亏

dNdt=rN(1NK)  N=K2 时 dNdt=rK4 最大\dfrac{dN}{dt}=rN\left(1-\dfrac{N}{K}\right)\ \Rightarrow\ N=\dfrac{K}{2}\ \text{时}\ \dfrac{dN}{dt}=\dfrac{rK}{4}\ \text{最大}
14第 14 页 · 种群研究的应用

传染病

前几页讨论的密度制约因素——食物、竞争、捕食——多让个体慢慢衰弱。但只要密度够高,传染病会以天为单位改写种群命运。它是调节种群的'急性武器',本节聚焦它的密度依赖机制与阈值判据。

定义
由病原体引起、能在种群内个体间相互传播的疾病
密度制约性
密度越大个体接触越频繁,传播速率指数式上升
阈值密度
高于临界密度则流行,低于则病原体自然消退
种群冲击
可致数量骤降甚至灭绝,对小种群威胁尤致命
典型案例
牛瘟、黏液瘤病、塔斯马尼亚袋獾面部肿瘤等
微信群里谣言扩散对应 →种群内传染病传播

群越活跃成员越多,谣言传得越快;群太冷清则传不动,自行消失

N>α+μβ(即 R0>1)疫情得以维持N > \frac{\alpha + \mu}{\beta} \,(\text{即 }R_0 > 1) \Rightarrow \text{疫情得以维持}
15第 15 页 · 传染病

本节要点

  • 非密度制约因素不受密度反馈调节
  • K/2处捕捞对应最大持续产量极值
  • 密度制约因素的强度随密度变化
  • 种间竞争与捕食塑造种群波动轨迹
  • 传染病暴发概率与种群密度正相关
延伸主题:种群的年龄结构与预测逻辑斯蒂方程的微分推导群落与生态系统的层级
16第 16 页 · 本节要点

课后思考

先合上书想 30 秒,再看参考答案——重点不是对错,而是思路是否走得通。

1为什么把种群内部的因素称为「密度制约」,把气候因素称为「非密度制约」?这种区分的生物学意义在哪里?

参考答案密度制约因素的强度随种群密度而变(密度越大内部竞争越激烈),非密度制约则相对独立于密度。意义在于指导不同管理路径——对前者调密度,对后者调环境。

2把「中等强度捕捞(约 K/2)」的逻辑迁移到草原放牧——让牲畜数量长期维持在环境容纳量一半左右,为什么能让收益可持续?

参考答案K/2 时种群增长速率最大,留一半「资源余量」让种群自我修复;不超载就不破坏承载力。前提是物种就地繁殖、承载力稳定,迁徙物种或脆弱生态并不适用。

3若一种传染病来袭时,种群远未达到 K 就已崩溃——是「S 形增长」模型失效了吗?还是模型仍成立,只需补上哪些边界条件?

参考答案模型没失效,它描述的是无突发干扰下的逻辑斯蒂增长;传染病相当于在曲线之外额外叠加了一个死亡率峰值。区分「常态」与「突发事件」,看崩溃后种群能否重建即可。

17第 17 页 · 课后思考